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第四章 典型光学系统设计,要求：掌握各种典型光学系统的特点、类型和设计方法。重点：根据仪器要求确定光学系统的类型。,第一节 望远光学系统一、望远系统的一般特性望远系统一般由物镜、目镜和棱镜（或透镜）转像系统构成。,对一个望远系统的要求，首先是它的光学性能，主要有：视放大率、视场角2、出瞳直径D、出瞳距离LZ。另外，对于军用光学仪器来说，仪器的外形、体积和重量也是十分重要的技术指标。除此以外，一般还提出一些保证产品质量的技术条件，如：分辨率、视差角。对双眼仪器，还有光轴平行性和相对像倾斜的要求。,（一）视放大率视放大率必须满足对仪器的精度要求:1.观察仪器2.瞄准仪器3.测距仪器视放大率除了和仪器的精度有关外，还和其他因素有关，必须同时兼顾:1.和仪器体积、重量的关系2.和视场角的关系,3.仪器的使用条件对视放大率的限制4.望远镜的有效放大率（二）视场角2（三）出瞳直径D（四）出瞳距离LZ（五）分辨率（六）视差角,望远系统的放大率主要有以下几种：垂轴放大率,角放大率,轴向放大率,望远系统的放大率取决于望远系统的物镜和目镜焦距。,对于目视光学仪器来说，更有意义的特性是它的视放大率，即人眼通过望远系统观察物体时，物体的像对眼睛的张角 的正切值与眼睛直接观察物体时物体对眼睛的张角的正切值之比，用表示。,=,第二节 望远物镜设计一望远物镜光学特性与结构类型 光学特性（1）相对孔径不大；望远物镜的相对孔径D/f一般小于1/5。（2）视场较小；通常望远物镜的视场不大于10。由于望远物镜视场较小，因此，通常只校正球差、彗差和轴向色差。,由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统配合使用，所以在设计物镜时应当考虑到它和其它部分的像差补偿。望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器一般对F光（486.3nm）和C光（656.28nm）计算和校正色差，对D光（589.3nm）校正单色像差。,2、结构类型望远物镜分折射式、反射式和折反射式三类。（1）折射式物镜折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远6种。其主要光学特性、特点如下：,（）双胶合:视场为 10，不同焦距适用的最大相对孔径 为：,()双胶合-单:相对孔径 为 1312，透镜口径 100,视 场角 5。,()单-双胶合:相对孔径 为 1312.5，透镜口径 100,视场角 5。,（）三分离:相对孔径 为 1211.5，视场角 4。,()对称式物镜:适合于短焦距、大视场、小相对孔径使 用，50，15，30。,（）摄远：由正、负两个分离薄透镜组构成，系统长度小于焦距，系统的相对孔径受前组相对孔径的限制。,（）摄远物镜：由双胶合-厚弯月构成。,（2）反射式和折反射式物镜反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系统中采用。双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三种形式：一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面，副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；,二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭球面，成正像，镜筒长。,三是牛顿系统：它由一个抛物面主镜和一块与光轴成45的平面反射镜构成。抛物面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个理想的像点。第二个平面反射镜同样能理想成像。,折反射系统是卡塞格林系统的改进。它是由球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。,二双胶合物镜，双分离物镜设计 双胶合物镜的设计双胶合物镜是一种常用的望远物镜，它的结构简单，光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，彗差和色差，但不能消除像散，场曲与畸变，故视场不大，一般不超过10，二级光谱与色球差也不能校正。对于双胶合物镜，一般在焦距不长，相对孔径不大的系统中采用。,若物镜焦距加大，相对孔径则随之减少，在获得优良像质的情况下，它们之间的对应关系如下表：物镜焦距与相对孔径的对应关系,双分离物镜设计 双分离物镜的正负透镜用一空气隙隔开，弯曲较双胶合物镜自由，能减少中间带球差，加大相对孔径（12.5 13），视场角达12，色球差不能校正，二级光谱由于透镜分离而略有增大。,双分离和双胶合物镜比较有如下优缺点：适用于直径加大的情况,双胶合物镜因受胶层应力及脱胶的影响，直径不宜超过100，而双分离物镜没有这种限制；光能损失比双胶合物镜大些；双分离物镜装配对中困难，使用中也容易丧失共轴性。,三摄远物镜设计摄远物镜是由一正透镜组和一远离的负透镜组成，或在双胶合物镜后加一块厚弯月形透镜组成。这种物镜除校正球差，彗差和像散外，由于后组是负光焦度，故能校正场曲。这种物镜主面外移，能缩短筒长。,正-负镜组远离摄远物镜设计 这种结构形式的优点有：（系统长度）,一 般（23 34）因为由两薄透镜组构成，因此可能校正4种单色像差球差，彗差，场曲和像散，因此它的视场角比较大，同时可利用它的校正像差的能力来补偿目镜的像差，使目镜的结构简化，或提高整个系统的像质。,这种物镜的缺点是：系统的相对孔径比较小，因前组的相对孔径一般比整个系统的相对孔径大一倍以上，如双胶合光组,则整个光组的为。,双胶合-厚弯月摄远物镜设计立式光学比较仪物镜就属于这一类型，引入厚弯月透镜为了校正场曲。,第三节 显微物镜设计一显微物镜概述显微镜由物镜和目镜组合而成，其作用是把被观察的物体，放大为一个实像位于目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远供人眼观察。,另有一种所谓“无限筒长”(“无限像距”)的显微镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远处；在物镜的后面，另有一固定不变的辅助物镜，再把像成在目镜的焦面上。,短焦距，大孔径，小视场是显微物镜的特点。选用和设计时，考虑的光学特性中最重要的是放大率（），数值孔径（NA）和线视场（y，y）。二结构类型显微物镜根据用途不同分为消色差物镜，复消色差物镜，平场消色差物镜和折反射物镜。,用于显微镜观察时，一般选用消色差物镜或复消色差物镜；用于显微摄影时，一般选用平场消色差物镜，使显微摄像像面上获得全视场清晰的像。消色差物镜消色差物镜指对两条谱线校正轴向色差的物镜。现有普及型显微物镜大多属于消色差型，能满足一般的显微观察需要。,它校正近轴区域的球差，彗差和位置色差，但边缘像质较差。消色差型显微物镜按NA大小有四种形式：双胶合物镜（低倍消色差物镜）：用于低倍显微物镜用，放大倍数为,NA0.10.15。,两组双胶合物镜：李斯特型。中倍显微物镜用，放大倍数为，NA0.250.3。,阿米西型物镜。在李斯特型物镜前加一个不晕半球形透镜构成。用于中倍及高倍显微物镜，放大倍数为,NA0.40.65。,阿贝型油浸物镜：在阿米西型物镜前片与中組之间加一块弯月正透镜，便成阿贝型物镜。放大倍数可达，NA1.251.4。油浸物镜的前片选用折射率与油浸相同或略高的玻璃。,平场物镜消色差物镜残留严重场曲，为了适应显微摄影的需要，发展为平（像）场消色差物镜，简称平场物镜。平场物镜是使场曲和像散都得到很好的校正消色差物镜。,复消色差物镜复消色差物镜是指校正二级光谱色差的物镜。通常我们说消色差是指消除或校正指定的两种颜色光线像点位置之差。,4.反射和折反射显微物镜在显微镜中使用反射和折反射系统的情况主要有两种。第一种是用于紫外或近红外的系统。由于能够透过紫外或远红外的光学材料十分有限，无法设计出高性能的光学系统，只能使用反射或折反射系统。,反射式的显微物镜。光学特性为50倍，NA=0.56，它可以在0.1510m波长范围内工作。中心遮光比为0.5。,折反射显微镜物镜。光学特性为53倍，NA=0.72。系统中只使用了能透过紫外光的石英玻璃和荧石，因此可以在0.25m到整个可见光波段范围内工作。它的中心遮光比为0.3。,用水作浸液的紫外物镜。整个物镜都是用石英玻璃构成的它的光学特性为172倍，NA=0.9。,另一种情况是为了增加显微镜的工作距离。由于反射镜能折叠光路，因此能构成一种工作距离长、倍率高而筒长和一般显微镜物镜相同的系统。如图是一种使显微镜物镜工作距离增长的附加系统，光学特性为NA=0.57。工件距离可达12.8mm。,长工作距离的反射式显微镜物镜。光学特性为40倍，NA=0.52。,三.显微物镜设计时应校正的像差设计显微物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差：球差，轴向色差 和正弦差，但对较高倍率的显微镜,由于数值孔径加大,除了校正这三种像差的边缘像差之外，还必须同时校正它们的孔径高级像差，如孔径高级球差,色球差，高级正弦差。,平场消色差物镜要求整个视场成像都比较清晰，除了校正球差，轴向色差和正弦差外，还要求校正场曲，像散和垂轴色差。由于显微镜属于目视光学仪器，因此它同样对F光和C光消色差，对D光校正单色像差。,第四节 目镜设计目镜是在光学系统中将物镜所成的像放大后供眼睛观察的透镜。目镜中最靠近眼睛的透镜称接目镜。目镜从使用功能来说可分为观察目镜和摄影（摄录）目镜两大类。,一目镜光学特性与结构类型1、光学特性：因为眼睛的瞳孔要与出瞳重合，故镜目距不能太短，一般不应小于6或8，以10左右最适宜。在军用仪器中，通常要求镜目距较长，要求20以上。与其它光组比较，目镜具有以下特点：焦距短（1040）；,相对孔径中等（13110），显微镜目镜较小（110）；视场大（30120）；光阑位于系统光组外部，（惠更斯目镜例外，其光阑位于光组中间）；入瞳和出瞳远离透镜组，入瞳远离透镜组，出瞳位于后方的一定距离上。,二、结构类型,二目镜设计要点 目镜的像差校正目镜的像差校正以轴外像差为主。在目镜设计中，主要校正像散，垂轴色差和彗差这三种像差。因为彗差不会太大，因此，目镜的设计中最重要的是校正像散，垂轴色差这两种像差。在目镜中一般不校正场曲，在广角目镜中只是设法使场曲减小些。,望远目镜与物镜像差互相补偿在设计望远目镜时，需要考虑它与物镜之间的像差补偿关系。望远镜物镜的结构一般比较简单，只能校正球差，彗差和轴向色差，无法校正像散和垂轴色差。,虽然由于物镜的视场较小，这些像差一般不会很大，但为了使整个系统获得尽可能好的成像质量，物镜残留的像散和垂轴色差，要求由目镜补偿。在目镜中像散和垂轴色差两种像差是比较容易控制的。目镜的球差和轴向色差一般也不能完全校正，需要由物镜来补偿，因为在物镜中这两种像差也是很容易控制的。,彗差则尽可能独立校正，如果在目镜的设计中，在优先考虑像散和垂轴色差的校正以后，有少量彗差无法完全校正，也可以用物镜的彗差进行补偿。这样虽然物镜和目镜都分别留有一定的像差，但整个系统像差得到很好的校正，可以使系统的成像质量得到提高。,以上所述是在目镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下，进一步考虑它们之间的像差补偿问题，这是对要求在物镜后焦面（即目镜前焦面）上安装分划板的望远系统来说的。如果系统中不要求安装分划板，则物镜和目镜的像差校正可以按整个系统统算时对整个系统进行再优化，使系统整体光学性能更佳。,对显微镜目镜来说，由于不同倍率的物镜和目镜要求互换使用，因此难于考虑物镜和目镜的像差补偿问题，一般都采取独立校正像差的方式。光谱选择由于目镜是目视光学仪器的一个组成部分，因此和物镜一样采用F光和C光消色差，对D光或光校正单色像差。,设计操作在设计目镜时，通常按反向光路进行设计，如下图所示,假定物体位于无限远处，入瞳在目镜的前方，在它的焦平面上计算像差，当物镜按正向光路计算像差，目镜按反向光路计算像差时，它们之间像差的组合关系如下：轴向像差(如，等)在光束孔径角相等的条件下为,其他轴向像差的关系类似。,垂轴像差（如,等）其他轴向像差的关系类似。由，得，可以用来计算物镜按正向光路设计，目镜按反向光路设计时系统的组合像差。,传递函数对直视微光夜视仪用的大孔径，大视场目镜的传递函数也有较高的要求。规定对 10 lp,20 lp,30 lp,40 lp,其MTF分别为0.85，0.72，0.58，0.45。对于普通目镜可斟酌情况放宽要求。另外，双目系统对光轴平行差，放大率和相对像倾斜都要有一定的要求，视具体配用什么样的仪器而定。,第五节 照相物镜的设计一、照相物镜的光学特性和结构形式1、光学特性 照相物镜的性能由焦距 f、相对孔径 D/f 和视场角2 这三个光学特性参数决定。焦距 f：照相物镜的焦距，短的只有几毫米，长的可能达到23，甚至更长。,相对孔径 D/f：小的只有1：10，甚至更小，大的可能达到1：0.7。视场角 2：小的只有23，甚至更小，大的可达到 140。照相物镜的三个光学特性之间是互相关联，相互制约的，它们决定了照相物镜的光学特性。,可用经验公式 通常用上式来表示三个光学性能参数间的关系。对照相物镜，0.24.同时，也可用拉赫不变量表征一个物镜总的性能,式中h为入瞳半径，J为拉氏不变量,照相物镜的基本类型选用照相物镜的原则是：既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。为此本节介绍一些基本类型照相物镜和它们的复杂化结构型式，以及它们所能达到的光学性能。,三片型照相物镜视场角 2=4050.相对孔径 D/f=1415，是具有中等光学特性的照相物镜中最简单、像质较好的一种。,这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。如下面三个图所示：,如右图（）所示的照相物镜称为天塞照相物镜，它用一个胶合面改善成像质量，也是一种被广泛采用的照相物镜。,右图（）为加入两个胶合面的结构，它可以使像质进一步提高。,双高斯照相物镜如右图()所示。双高斯照相物镜是具有较大视场(大约=40左右)的物镜，相对孔径最先达到1：2。,双高斯照相物镜的演变型式很多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如下图（）（）所示，是为了增大相对孔径。,二照相物镜设计的一般方法 初始结构形式的确定照相物镜中高级像差比较大，结构也比较复杂。照相物镜设计的初始结构一般都不用求初级像差的方法来确定，而是根据要求的光学特性和成像质量，从手册，资料或文献中找出一个和设计要求比较接近的结构作为初始结构。,像差校正在初始结构确定以后，就要校正像差，究竟需要校正哪些像差，在不同光学特性和不同结构形式的系统中是不同的。我们把照相物镜的像差校正大体分为三个阶段来进行。,第一阶段：首先校正“基本像差”。在照相物镜设计中，基本像差一般都指那些全视场和全孔径的像差，如：轴上点孔径边缘光线的球差 和正弦差。边缘视场像点的细光束子午场曲 和弧矢场曲。,轴上点的轴向色差 和全视场的垂轴色差.在照相物镜中一般对g光(435.83nm）和C光（656.28nm）这两种波长的光线消色差。而不像目视光学仪器那样对F光，C光消色差。因为感光材料对短波比人眼敏感。,畸变只对那些特殊用途的照相物镜（如用于摄像测量的物镜），才将畸变作为基本像差，一开始就加以校正，一般照相物镜中不加以校正。由于照相物镜的结构比较复杂，校正上面这些基本像差并不困难。,第二阶段：校正剩余像差或高级像差。在完成第一阶段校正的基础上，全面分析一下系统像差的校正状况，找出最重要的高级像差，作为第二阶段的校正对象。当然在第一阶段中已加入校正的像差，在第二阶段必须继续参加校正。因为只有在基本像差得到校正的前提下，校正高级像差才有意义。,对剩余像差或高级像差的校正采取逐步收缩公差的方式进行，使它们校正的尽可能小。第三阶段：像差平衡根据系统在整个视场和整个孔径内像差的分布规律，改变基本像差的目标值，重新进行基本像差的校正。,